紅壓深冷裝置丙烷-膨脹制冷機組優(yōu)化運行

陳振新

大慶油田有限責任公司

紅壓深冷裝置是國內(nèi)自行設計的第一套天然氣低溫分離回收輕烴裝置。裝置采用丙炳-膨脹制冷工藝，日處理天然氣90×104m3，設計制冷溫度-106 ℃，日產(chǎn)輕烴160～180 t。裝置原料氣壓縮機組由意大利新比隆公司引進，丙烷制冷機組和膨脹機組分別從美國約克公司和馬菲川崎公司引進，共有動設備17 臺、靜設備52 臺，是天然氣公司生產(chǎn)輕烴的主要裝置之一[1]。

1 機組運行現(xiàn)狀

紅壓深冷裝置存在制冷瓶頸：當通氣量達到28 000 m3/h時，膨脹機轉速達到26 500 r/min，出口溫度降至-91 ℃，膨脹機發(fā)生凍堵；為防止凍堵，多余氣量走膨脹機J-T旁通閥直接進入塔頂，降低了制冷負溫；為保證制冷溫度，只能提高丙烷機負荷，使丙烷制冷系統(tǒng)天然氣出口溫度保持在-30 ℃，以降低J-T旁通閥支路氣體溫度，使脫甲烷塔塔頂溫度保持在-83～-85 ℃，由此帶來以下問題：

（1）膨脹機制冷負荷小。為防止機組凍堵，多余氣量只能走J-T旁通閥，旁通閥開度保持在35%左右，約10 000 m3天然氣未經(jīng)過制冷直接進入塔頂。

（2）丙烷機負荷大。為保證塔頂制冷溫度，丙烷機長期在高負荷狀態(tài)下運行，平均電流在39 A左右（高報40 A），丙烷機組能耗偏高。

（3）膨脹機易凍堵。當氣量稍有增加時，膨脹機轉速升高，極易發(fā)生凍堵。凍堵發(fā)生后員工需立刻降低膨脹機負荷，升溫化凍，同時噴注甲醇。2019年因凍堵導致膨脹機停機4次，消耗甲醇12 t，平均每月發(fā)生凍堵1.2 次，增加了員工勞動強度，影響裝置平穩(wěn)運行。

（4）丙烷機電動機線圈溫度高。電流大導致電動機線圈溫度高，尤其在夏季環(huán)境溫度高時，線圈溫度可達82 ℃（停機值85 ℃）。為保證裝置安全平穩(wěn)運行，不得不減少裝置入口氣量，不僅增加員工勞動強度，而且影響裝置產(chǎn)烴和平穩(wěn)運行[2]。

2 優(yōu)化運行方案

針對以上問題，結合紅壓深冷裝置實際情況，對丙烷-膨脹制冷機組進行全面剖析，提出問題、論證并最終確定既能降低成本又能解決問題的最佳優(yōu)化方案。

2.1 基本思路

丙烷-膨脹制冷機組優(yōu)化分兩步進行：第一步是降低塔頂壓力，在CO2分壓不變情況下降低其凝析點，降低裝置發(fā)生凍堵的溫度下限；第二步是降低丙烷機負荷，提高膨脹機入口溫度，減小J-T閥開度，使膨脹機多進氣、多做功，在制冷量相同情況下減少丙烷機電耗，達到節(jié)能降耗的目的[3]。

2.2 優(yōu)化原則

（1）嚴格依據(jù)CO2凝析曲線，將膨脹機出口參數(shù)點控制在CO2固液相平衡等壓線之下，防止凍堵。

（2）提高膨脹機通氣量，最大程度發(fā)揮膨脹機做功能力[4]。

（3）降低丙烷機負荷，實現(xiàn)丙烷機在夏季可正常工作、降低丙烷機能耗的目的。

（4）提高裝置輕烴收率（不低于優(yōu)化前的1.40 t/104m3）。

（5）膨脹機出口溫度不低于-97.8 ℃，防止甲醇凍堵。

（6）膨脹機轉速控制在360 00 r/min 以下，防止機組本體振動過大[4]。

2.3 優(yōu)化步驟

（1）根據(jù)CO2凝析曲線設定塔頂壓力及對應膨脹機出口臨界凍堵溫度[5]。

（2）協(xié)調(diào)氣源，裝置入口氣穩(wěn)定在35 000 m3左右。

（3）調(diào)整塔壓到設定值。

（4）丙烷機滿負荷運轉，調(diào)節(jié)膨脹機轉速，使膨脹機出口溫度保持在臨界凍堵溫度左右。

（5）保持膨脹機出口溫度不變，緩慢降低丙烷機負荷，同時慢慢提高膨脹機轉速，減小J-T旁通閥開度[6]。

（6）當持續(xù)減載丙烷機、加載膨脹機無法使膨脹機出口溫度維持在臨界溫度，或膨脹機轉速達到36 000 r/min時，停止調(diào)整，維持現(xiàn)有工況[7]。

（7）在上述工況下運行48 h，記錄設定工況下的膨脹機進出口壓力、丙烷機系統(tǒng)天然氣出口溫度、丙烷機電流、輕烴收率等參數(shù)。

（8）調(diào)整設定參數(shù)，開始新一組實驗。

3 實驗結果

選取7組數(shù)據(jù)實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)（表1）。由表1可知，在塔壓0.92 MPa時膨脹機做功不足，出口溫度偏高；在塔壓0.80 MPa 時膨脹機做功較大，但需增加丙烷機負荷來保證塔頂溫度，且輕烴收率低；當塔壓控制在0.84～0.86 MPa 時，膨脹機出口溫度較低，丙烷機負荷小，裝置輕烴收率最大。因此，確定塔壓0.84～0.86 MPa，膨脹機出口溫度-92.5～-94.0 ℃為最佳操作區(qū)間，確定裝置操作點塔壓0.85 MPa，膨脹機出口溫度-93.5 ℃，與裝置優(yōu)化前工況（0.90 MPa，-90.1 ℃）進行比較。優(yōu)化前、優(yōu)化后丙烷-膨脹制冷機組運行參數(shù)見表2。

表1 優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Optimization experiment data record

表2 優(yōu)化前、優(yōu)化后丙烷-膨脹制冷機組運行參數(shù)對比Tab.2 Operation parameters comparison of propane and expander refrigeration unit before and after optimization

3.1 制冷量對比

裝置入口氣壓力0.65～0.7 MPa，溫度15 ℃。由理想氣體的狀態(tài)方程可近似求得在裝置設計工況下天然氣摩爾體積3.38 L/mol，裝置瞬時摩爾流量1.03×107mol/h。

紅壓深冷裝置入口氣相對密度γg在0.70 左右，天然氣臨界參數(shù)經(jīng)驗公式[8]為

式中：γg為裝置入口氣相對密度，無量綱；pcr為裝置入口氣臨界壓力，MPa；Tcr為裝置入口氣臨界溫度，K。

由式（1）、（2）可得：紅壓深冷裝置入口氣臨界壓力為4.61 MPa，臨界溫度為215.89 K。

3.1.1 優(yōu)化前天然氣焓變

（1）膨脹機氣體焓變。膨脹機入口對比壓力pr1為

式中：pr1為膨脹機入口對比壓力，無量綱；p1為優(yōu)化前膨脹機入口壓力，MPa。

膨脹機入口對比溫度Tr1為

式中：Tr1為膨脹機入口對比溫度，無量綱；T1為優(yōu)化前膨脹機入口溫度，℃。

膨脹機出口對比壓力pr2為

式中：pr2為膨脹機出口對比壓力，無量綱；p2為優(yōu)化前膨脹機出口壓力，MPa。

膨脹機出口對比溫度Tr2為

式中：Tr2為膨脹機出口對比溫度，無量綱；T2為優(yōu)化前膨脹機出口溫度，℃。

查閱氣體通用焓圖[9]可知，當pr1=0.87、Tr1=1.05和pr2=0.19、Tr2=0.84時，

從氣體熱力學性質表查閱可知，天然氣近似摩爾焓[10]為

式中：ΔHE為氣體經(jīng)過膨脹機后焓變，J/mol；為氣體摩爾定壓熱容，J/(mol·K)；dT為溫度的微分量，無量綱。

（2）丙烷機組氣體焓變。同理可求，即

氣體經(jīng)過丙烷機組焓變?yōu)?/p>

（3）優(yōu)化前丙烷-膨脹制冷機組瞬時制冷量。已知設計工況下裝置入口瞬時摩爾流量F為1.03×107mol，可得：

式中：FE為優(yōu)化前膨脹機摩爾流量，mol/h；FP為優(yōu)化前丙烷機摩爾流量，mol/h；KE為優(yōu)化前膨脹機J-T閥開度，%。

優(yōu)化前制冷機組整體制冷量E為

3.1.2 優(yōu)化后丙烷-膨脹機組制冷量

式中：ΔH′E為優(yōu)化后膨脹機焓變，J/mol。

式中：ΔH′P為優(yōu)化后丙烷機焓變，J/mol。

式中：F′E為優(yōu)化后膨脹機摩爾流量，mol/h；F′P為優(yōu)化后丙烷機摩爾流量，mol/h；K′E為優(yōu)化前膨脹機J-T閥開度，%。

優(yōu)化后丙烷-膨脹制冷機組瞬時制冷量E′為

由計算結果可知，優(yōu)化后膨脹機制冷能力提高，丙烷機制冷能力下降，丙烷-膨脹制冷機組整體制冷能力提高18.5%。

3.2 耗電量對比

通過統(tǒng)計對比分析，優(yōu)化后丙烷-膨脹機組月度能耗較優(yōu)化前大幅下降，月均節(jié)電3.4×104kWh。2020 年4—9 月丙烷機組能耗與2018、2019 年同期對比數(shù)據(jù)見表3。

表3 2020年4—9月丙烷機組能耗與2018、2019年同期對比數(shù)據(jù)Tab.3 Comparison of propane unit energy consumption from April to September 2020 with the same period in 2018 and 2019 104 kWh

3.3 輕烴收率對比

優(yōu)化后塔頂溫度由-83.6 ℃降至-86.5 ℃，裝置輕烴收率可穩(wěn)定在1.42～1.44 t/104m3，較優(yōu)化前的1.40 t/104m3有明顯提升，年可增產(chǎn)輕烴725 t。

4 結論

通過優(yōu)化運行實驗，確定丙烷-膨脹制冷機組最佳操作參數(shù)區(qū)間為：塔壓0.84～0.86MPa，膨脹機出口溫度-92.5～-94.0 ℃；膨脹機J-T 旁通閥開度由35%降至21%，制冷負荷提高；丙烷機運行電流由35 A降至21 A，制冷負荷降低。此時丙烷-膨脹制冷機組整體制冷能力提高18.5%，裝置輕烴收率由1.40 t/104m3提高至1.42 t/104m3以上；裝置運行更趨平穩(wěn)，達到了預期效果。該優(yōu)化操作無需成本，實際應用成效明顯，對天然氣公司存在類似問題的其他裝置具有一定借鑒意義，有良好應用前景。